1、大連海事大學裝.訂線畢 業 論 文二一三年六月EAGLE BOSTON輪活塞環斷裂分析及日常維護要點專業班級：輪機管理07-4姓 名：葉 永 杰指導教師：輪機工程學院內容摘要本文主要介紹船用柴油機活塞環的種類、原理，對EAGLE BOSTON輪活塞環使用中斷裂的原因進行了分析，討論了其影響因素并逐一排查，最終使故障得以解決，講述了吊缸過程中應注意的事項，以及日常管理要點給出了建議，并在最后進行了總結，力圖能夠為輪機員工作提供較好參考。關鍵詞：活塞環；斷裂；腐蝕；維護 ABSRACT This paper describes the types of marine diesel engine p

2、iston ring, the principle of M/V EAGLE BOSTON piston ring causes breakage in use were analyzed and discussed the influencing factors one by one investigation, and ultimately the fault is resolved, about the hanging cylinder process should pay attention matters, as well as daily management point give

3、s recommendations and a summary at the end, trying to work for the engineer to provide better information.Thank you!Keywords：Piston Ring, Principle, Fracture, Maintenance 目 錄第一章 前言1第二章 活塞環的種類及工作條件12.1壓縮環12.1.1壓縮環的結構形式22.1.2壓縮環的搭口形狀32.2承磨環42.3活塞環的工作條件4第三章 故障的分析與排除53.1故障現象53.2現象分析及處理措施53.2.1吊缸的準備工作63.

4、2.2吊缸的步驟63.3活塞環斷裂的原因分析93.4故障的排除9第四章 日常管理要點10總結12參考文獻13致謝14EAGLE BOSTON輪活塞環斷裂分析及日常維護要點第一章 前言 目前在船舶柴油機中使用的活塞環種類繁多,主要區別在于活塞環的材料、搭口形式、表面涂層和斷面形狀的不同。每種活塞環各有其優點和不足,各類柴油機要根據自身的特點選擇合適的活塞環組合,達到良好的密封和刮油效果。目前應用最廣泛的是以灰鑄鐵、合金鑄鐵、球墨鑄鐵為材料、表面鍍鉻的活塞環,其良好的抗磨、耐蝕、耐高溫性能都較好地滿足了第一道、第二道環的工作要求,但其鍍鉻層強度隨厚度的增加而降低的特性限制了鍍鉻層的厚度,鍍鉻層硬而

5、脆的特性使活塞環在潤滑不良或受到局部外力作用時容易剝離,很大程度上影響了鍍鉻環的使用可靠性和使用壽命1。常見的噴鉬環具有優良的抗熔著性和磨損性能,不易引起拉缸,鍍銅、錫環可改善初期磨合性能和抗蝕性能,但這兩類環的耐磨性較差,使用壽命不長。目前正在逐步得到應用的等離子噴鍍技術使活塞環鍍層有鐵、鎢、鉻等多種金屬成份,大大改善了單一金屬鍍層的不足,使活塞環的耐磨性、抗蝕性、耐高溫性能有了明顯的提高。隨著納米技術在船舶領域的應用,不久的將來,必將使活塞環的綜合工作性能得到全面的提高。第二章 活塞環的種類及工作條件在柴油機氣缸套-活塞組中,活塞環的主要作用是保證活塞與氣缸套之間的可靠密封,同時起到導熱、

6、支撐和調節滑油的功能。活塞環所起的作用不同，有壓縮環（氣環）和刮油環兩種2。壓縮環主要是用來保證活塞環和氣缸之間在相對運動條件下的密封，刮油環的作用是除去氣缸套表面過多的滑油，通常用于筒形活塞式柴油機。而十字頭式柴油機氣缸是采用注油潤滑，一般只裝氣環，在活塞裙比較長的活塞上還要裝承磨環。本輪主機為MAN B&W 6S60MC。2.1壓縮環壓縮環的主要作用是防止汽缸中的氣體漏泄和將活塞上的部分熱量傳給氣缸。壓縮環的密封作用是依靠本身的彈性和作用在它上面以及漏到環內側的氣體壓力，使環緊緊貼合到氣缸壁和環槽上，如圖1。 圖1 壓縮環的密封作用 這樣就阻止了氣體通過活塞與氣缸壁之間的間隙漏至氣缸下部空

7、間。但由于活塞環在氣缸中要留有搭扣間隙，因此正常工作的壓縮環也不可能完全阻斷燃氣的漏泄。再加上活塞環可能出現的失效，為了提高密封效果，一個活塞上要設多道壓縮環。但為了減少摩擦損失，壓縮環也不能設置過多，通常高速柴油機裝2 4道，低速柴油機裝4 6 道。每道環的密封作用可由燃氣壓力在各道環槽中的變化情況看出。第一道環由于高溫高壓燃氣的直接作用，承受的負荷最大。在新型柴油機上，采用將第一道環加高的方法提高其承載能力，并在環的外側開設四至六道壓力釋放槽，以使第一、二道環的負荷更加均勻。2.1.1壓縮環的結構形式壓縮環的結構形式是多種多樣的，根據其斷面形狀，可分為矩形環、梯形環、倒角環、扭曲環等，如圖

8、2 圖2 氣環的斷面形狀矩形環（a）；梯形環（b）；倒角環（c）；正扭曲環（d）；反扭曲環（e） 矩形環制造簡單，應用最廣，但溫度超過200時容易結焦卡死。梯形環、倒角環和扭曲環用在中高速柴油機中。 2.1.2壓縮環的搭口形狀壓縮環的搭口形狀有直搭口、斜搭口和重疊搭口，如圖3圖3 氣環的搭口形式直搭口和斜搭口結構簡單，加工方便。重疊搭口氣密性好，但容易折斷。為了減少通過搭口的漏氣，安裝時活塞環搭口不要擺在上下一條直線上，應該錯開并且相鄰環的搭口方向要彼此相反。為了提高活塞環的耐磨能力，活塞環表面可以采取不同處理工藝，如下圖4為MANB&W公司的大缸徑柴油機所采用的新型活塞環組。在第一、四道活塞

9、環與氣缸壁的摩擦表面采用了硬質的金屬陶瓷鍍層。由于硬質的金屬陶瓷鍍層的磨合性能較差，為了改善磨合，在其表面鍍有薄的鋁磨合層，且活塞環的外圓面導有較大的斜面。圖4 新型活塞環組2.2承磨環十字頭式活塞的承磨環是專為活塞與氣缸的磨合而設置的。超短裙活塞可以不裝承磨環，短裙活塞裝1 2道，長裙活塞裝 2 4 道。在活塞裙上開設燕尾槽，如下圖5所示。把截面如（a）所示的青銅條分成 3 4 段敲進環槽中，然后再加工到工作尺寸如圖（b）所示。承磨環的直徑比活塞裙部直徑大。在磨合中，先是減磨金屬與氣缸磨合，待承磨環逐漸磨平后，磨合過的氣缸再與活塞裙逐漸接觸進行磨合。實踐證明，如果在裙較長的活塞上不安裝承磨環

10、，活塞與氣缸在磨合中就會拉缸。在中小型筒形活塞的活塞裙上不設承磨環。 圖5 承磨環承磨環在運行中雖已磨平，但不必更換。如果發現缸套有不正常的磨損和擦傷，或當承磨環出現單邊嚴重磨損或碎裂時，在對缸套修整的同時應換新承磨環。缸套、活塞換新時承磨環應予換新。從承磨環的磨損情況可以分析活塞的對中情況。2.3活塞環的工作條件 活塞環的工作條件極為復雜,體現在以下三個方面： (1)工作環境惡劣,特別是第一道環,它承受的溫度高達250,甚至達400,并受到燃氣侵蝕,潤滑油膜難以建立,處于邊界摩擦和半干摩擦狀態3。 (2)受力復雜,活塞環上承受的力有彎曲交變負荷、氣體壓力、自身彈力、往復運動慣性力、摩擦力以及

11、活塞對它作用的側向力等。 (3)運動形式復雜,隨著發動機的轉速和氣體壓力的不同,活塞環除了以不同的方式產生周期性的與環槽上下端面發生脫離和接觸的軸向運動之外,為適應缸徑變化以及側推力的作用還會作徑向運動。此外,活塞環還會在環槽中作回轉運動甚至發生扭曲變形和扭曲運動。第三章 故障的分析與排除3.1故障現象本人的實習船舶名為EAGLE BOSTON輪，是一艘船齡為18年的阿芙拉型油輪。它的主機為MAN B&W 6S60MC超長沖程低速柴油機，其以最大輸出功率(MCO)運行時的轉速為84RPM，以額定功率（CSO）運行時的轉速為79RPM。此航次為該輪的第286航次，航行路線則是由加拿大的WIFFE

12、N HEAD返回美國新澤西。從離開加拿大的WIFFEN HEAD港口到即將到美國新澤西之前，主機的各運行參數尚處于正常范圍。當本輪即將到達新澤西的目標港口時，值班輪機員突然發現系統油的消耗量突然增大，懷疑此故障是由于活塞漏油引起的。由于我輪當時即將到達港口并準備卸貨，所以先采取了減速的措施。當到達港口后，打開掃氣箱檢查，發現第3缸活塞頭漏油，活塞環全斷，環槽嚴重磨損，并有缺口，同時第2、4、5、6缸活塞環均有不同程度的斷環或黏著并失去彈性，（第一缸吊缸檢修516小時，沒有粘著和斷環現象）。3.2現象分析及處理措施由前文的故障現象可以了解到，本輪主機的系統油消耗量在航行過程中突然增大，并初步判斷

13、故障原因為活塞漏油，因此主機的運行狀況已非常惡劣。由于本輪當時即將到達目標港口，并準備到港進行貨物的裝卸。因此，此時的航行狀況不能允許停車吊缸檢修，應先降低轉速，降低該缸的噴油量或停油，并保證故障缸的良好潤滑，適當增大供油提前角，密切注意斷環缸有無異常聲音，使柴油機安全運行到港口，以便接下來的修理工作。當本輪到達港口并停車后，立即打開曲軸箱道門進行檢修，發現本輪主機的部分活塞環已經發生了斷裂故障，一些活塞環槽產生了嚴重的磨損，而且必然造成相應缸產生一定程度的拉傷。如果不進行相應的處理，那么這些斷環的碎片可能會沖入到排氣管甚至沖入到廢氣渦輪增壓器中，進而打碎增壓器的葉片，造成嚴重故障。另外，這些

14、斷環的碎片也可能引起進一步的拉缸,損傷缸套并使活塞環槽變形。因此，經過以上分析后，必須對本輪主機進行吊缸以實現對活塞和缸套的檢修，對磨損嚴重或斷裂的活塞環進行更換，從而保證氣缸的密封性，恢復主機的正常運行。3.2.1吊缸的準備工作在進行具體的吊缸工作之前，應將吊缸之前的準備工作做好。主要的工作如下： （1）仔細檢查起吊工具是否完好正常。 （2）準備好吊缸的工具、量具、了解備件情況。 （3）清理現場，準備木蓋，木楔等。（4）確認已經關閉空氣瓶截止閥、切斷主機燃油、滑油、空氣冷卻水的供給。3.2.2吊缸的步驟當吊缸的準備工作完成并檢查無誤后，將進行具體的吊缸操作。此次吊缸操作主要包括四個步驟，分別

15、為汽缸蓋的拆卸、活塞組的吊出、缸套活塞組的檢查、清潔和測量以及活塞組的安裝。由于吊缸的的主要目的是對氣缸內部以及活塞進行檢查修復，因此應首先將氣缸蓋拆卸下來，以便接下來將活塞組吊出并對活塞組以及氣缸缸套進行檢查等操作。3.2.2.1 氣缸蓋拆卸 （1）關閉主起動閥、合上盤車機、打開示功考克、關閉冷卻水進出口閥。打開放氣、放殘閥，放完氣缸蓋的冷卻水后，即關閉放殘閥。 （2）關閉燃油進口閥。 （3）切斷控制空氣及安全空氣（必須先停凸輪軸油泵）。 （4）從排氣閥和缸蓋上拆去冷卻水出口管。 （5）拆除排氣閥高壓油管及回油管。 （6）拆除高壓油泵與噴油器之間的三根燃油高壓油管，并脫開回油管。 （7）從起

16、動閥拆去控制空氣管。 （8）拆掉起動空氣管與缸頭聯接法蘭上的螺絲。 （9）拆卸排氣閥桿密封氣控制元件的空氣管。 （10）移去排煙管上的隔熱罩，拆除哈夫環。移去缸蓋螺栓的保護帽。 （11）在所有缸蓋螺母上放好定距環，裝上液壓拉伸器泵壓至規定值，一般在9099 MPa以下，旋松缸蓋螺母并移走。（12）徹底檢查并確認無未被拆卸的部件后，吊走缸蓋并放在兩根枕木上。當以上工作完成后，氣缸蓋即被順利地拆卸，那么接下來的工作即是將活塞組吊出來。3.2.2.2 吊出活塞組 在吊出活塞組之前，首先打開凸輪軸側的掃氣箱，檢查道門和兩側曲拐箱道門。若無異常，則進行以下操作。 (1）盤車使十字頭向下運動，直到有足夠空

17、間拆活塞桿的液壓螺母和填料函。 (2）從曲拐箱內拆除填料函底座板上的8只內圈螺絲。（注意：不是外圈螺絲）。 (3）在活塞桿的螺母上裝好4只液壓拉伸器，泵壓至9099 MPa，旋松活塞桿液壓螺母并移走。 (4）在活塞桿底部壓腳板上裝兩根定距螺桿，以保護填料函下部刮環并為填料函導向。 (5）在缸套和活塞清潔環之間做一記號，以便能正確地裝復。移去活塞清潔環。 (6)清除缸套上部積碳，用砂輪仔細地磨掉缸套頂部燃燒堆積物，確保缸套任何磨損區域平滑，防止吊活塞時被卡住。 (7)盤車至上死點，仔細清除活塞頭上起吊槽內積碳(如有必要，拆去一至兩根氣缸蓋雙頭螺栓),確保起吊工具安裝到位。 (8)緩慢起吊活塞，擺

18、正活塞位置，使活塞桿底部正好通過填料函底部開口。把活塞放置在兩個半圓型的專用支撐架上。(9)用專蓋板將填料函孔蓋住。盤車使十字頭向下，以便在十字頭的軸承蓋上安放橡膠保護罩，直到重新安裝活塞時把它拿開。3.2.2.3 缸套、活塞組的檢查、清潔和測量當以上工作完成后，將對缸套以及活塞組分別進行相應的檢查和修復工作。對于缸套，要確認其拉傷、磨損情況并以此進行相應的清理和修復。對于活塞組，要確認活塞頂部是否發生燒損、活塞環槽的磨損情況以及對嚴重磨損和斷裂的活塞環進行清除和更換。具體操作如下： (1)缸套及掃氣口包括活塞下部掃氣室需徹底的清潔和檢查。尤其注意清除汽缸油注油孔兩側燕尾槽內的結碳。 (2)缸

19、徑的測量：按隨機提供的測量樣棒上各測量點在前后左右方向逐一測量記錄。輪機長應根據缸壁情況和測量數據進行分析、評估。 (3)仔細清除缸壁上的刻痕或拉痕，并磨去燃燒堆積物。 (4)手泵汽缸注油器，檢查氣缸每個注油孔均能正常供油。必須清通堵塞的通道。 (5)用專用工具拆下活塞環，進行清潔檢查。測量并記錄活塞環徑向寬度,不小于規定數值,否則必須換新。 (6)帶有壓力釋放槽的，如果槽的深度小于2.5mm, 則該環須換新。 (7)清潔檢查活塞環槽的磨損情況。 (8)清潔活塞頭，檢查頂部及四周圍的燒損情況，并用專用模板檢查其頂部燒損的高度，不得超過規定數值。 (9)安裝令前測量令的搭口間隙，把令裝在新缸套或

20、舊缸套底部測量，搭口間隙須 符合要求。 (10)第一道令為重疊搭口，一般2#、4#道為左斜口，3#道為右斜口。相鄰兩道搭口要錯開，有記號的那邊必須朝上。用專用工具安裝活塞令。 (11)測量并記錄活塞環天地間隙，不得大于規定數值。 (12)填料函按規定8000小時拆檢測量，各道令環間隙變化達50%以上應更換。3.2.2.4 活塞組的安裝 以上即為吊缸操作的基本內容，接下來將重新把活塞組吊回氣缸中，安裝到原位，具體的操作如下：(1)按相關要求對活塞頭及各活塞環再作仔細檢查。 (2)裝妥起吊活塞頭的專用工具。 (3)移去在十字頭的軸承蓋上安放的橡膠保護罩 (4)移去放在填料函孔的蓋子。 (5)將十字

21、頭上兩根對角的活塞桿螺栓拆下，裝上兩根帶錐度的導向螺栓（專用工具）。盤車至上死點前十字頭在45位置。 (6)活塞桿，缸套，活塞環抹上一些潤滑油。填料函橡皮圈涂好牛油。(7)將活塞令的導向環（專用工具）安放在缸套上。把活塞緩慢放入缸套內。特別注意：當活塞桿底部壓腳板通過填料函底座的缺口時，要擺正其位置。將活塞組一直放到活塞令全部在缸套內,吊裝工具大約離導向環頂部30 MM的高度處，停！ (8)檢查十字頭導向環已對準活塞桿的中心孔時，逐漸向上死點盤車。當盤車至上死點后，松掉并移走起吊工具和活塞令導向環。向下盤車，使活塞桿和拉伸管隨十字頭下行至足夠空間，檢查收緊拉伸管螺絲。 (9)在活塞桿的下部拆去

22、兩根定距螺桿,從十字頭上拆除兩根錐形導向螺栓。用扭力板裝復兩根活塞桿螺栓，扭矩為200 Nm。用液壓拉伸器同時四根活塞桿的液壓螺栓上緊至90MPA。 (10)裝復上緊填料函底座板上的8只內圈螺絲。 (11)在活塞桿上涂二硫化鉬并盤車一圈。 (12)在缸套上口裝妥活塞清潔環，確保環上的記號與缸套上的記號對齊。 (13)安裝氣缸蓋 (14)在條件許可的情況下，在非常低的轉速下運轉15分鐘后，停車檢查活塞桿和填料函。3.3活塞環斷裂的原因分析 在上文所述的吊缸操作過程中，本人對活塞組件進行了詳細地觀察，并有以下發現： (1)第2 缸 1513 HRS 第三、四道環槽磨成錐度，第四道活塞環斷，更換活塞

23、頭及全部活塞環。 (2)第3缸4130HRS ，活塞頭漏油，活塞全斷，環槽嚴重磨損，二、三道環槽有缺口，左后和后側缸套表面有兩道垂直劃痕。更換活塞頭及全部活塞環。 (3)第4 缸 2349 HRS 活塞環第一、二、三道搭口處折斷一小節，第四道全斷，缸套（33914HRS）右側距頂上5公分左右有一水平約45公分的裂痕，活塞環及缸套全部換新。 (4)第5 缸 2831HRS 第三道活塞環搭口處折斷一小節，活塞裙承磨環失去四分之一，活塞環全部換新，活塞裙環舊備件。(5)第6缸 5213HRS第一道活塞環卡死，第三道折斷，活塞環全部換新。另外，本人從燃油凈化方面考慮，發現本輪的輕、重油分油機的排渣時間

24、繼電器都已損壞。因此，分油機在實際的分油過程中并沒有排渣，分離效果很差。這也就導致了燃油二、三級濾器經常臟堵，即使將兩臺分油機并聯使用，其分油效果也不理想。因此，本人根據活塞環磨損的檢查情況以及燃油凈化單元的工作狀況，利用所學的理論知識綜合分析，判斷故障應由以下原因造成： (1)燃油分離過濾效果差。導致霧化質量差，燃燒不良。 (2)第一道活塞環用錯。由于其上的標記原本就比較模糊，吊缸時都看不見痕跡了。根據了解情況：以前在活塞環備件不充足的情況下，曾將一套活塞環（尚不能確定為原裝整套）分為兩個缸使用，并都作為第一、二道環。 (3)活塞環搭口位置不正確。按120度間隔擺放，而說明書要求按180度間

25、隔擺放。 (4)活塞環槽磨損過度。活塞環的不正常造成環槽的不正常磨損，未能及時更換促成活塞環槽磨損過度。 (5)吊缸后氣缸油量未按說明書要求加大。在吊缸后只加大一格，運行兩天后就調回原來的注油量，加快了缸套的磨損速度。說明書要求在更換缸套或活塞環均要逐步遞減，運行1200小時后才接近正常的注油量。3.4故障的排除此次吊缸后，值班輪機員嚴格按照說明書的要求，對主機進行磨合運行。另一方面，主管輪機員更換了輕、重油分油機的排渣時間繼電器，選擇了大一號的比重環以及縮短燃油二、三級濾器自動沖洗時間間隔，并定期將重油日用柜循環分油，燃油分離質量得到明顯改善。由于采取了以上措施，從吊缸后主機首次運行到本人下

26、船為止，主機已運行近2700小時，其轉速也逐步提高到77RPM以上，沒有再發現斷環現象，主機各種運行工況也都較穩定。至此故障問題得以解決。第四章 日常管理要點根據本航次事故發生所體會的心得以及實習期間的工作經驗，本人總結了幾條主機的日常管理要點，希望更夠有助于其他實習輪機員更快的掌握主機的維護管理技能，具體如下： (1)安裝新環或更換了缸套后，必須按說明書要求進行磨合。嚴格執行磨合的轉速(負荷)和時間，不可操之過急，氣缸油量適當加大且最好使用純礦物油，注意監視排溫和冷卻水溫情況及時發現磨合中可能出現的故障，保證磨合質量4。如下圖6為MAN B&W S-MC 型柴油機的氣缸磨合程序。圖6 MAN B&W S-MC 型柴油機的氣缸磨合程序 (2)氣缸油的牌號和油量符合說明書要求，要避免氣缸油多比少好的錯誤觀念。過多的氣缸油可能造成結碳，且浪費了氣缸油，過少則會造成潤